JP5592909B2 - Magnetic memory - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、磁気メモリに関する。   Embodiments described herein relate generally to a magnetic memory.

メモリの一つに磁壁メモリが挙げられる。磁壁メモリは、情報を記録する部分に磁性体を用いる。磁性体磁化が形成する磁区の構造、磁壁の位置、もしくは磁壁内における磁化の空間分布によって情報を表現して、それを保持する。レーストラックメモリと呼称される磁気メモリも磁壁メモリの一つである。   One of the memories is a domain wall memory. The domain wall memory uses a magnetic material in a portion for recording information. Information is expressed by the structure of the magnetic domain formed by the magnetization of the magnetic substance, the position of the domain wall, or the spatial distribution of the magnetization in the domain wall, and held. A magnetic memory called a racetrack memory is also one of domain wall memories.

磁性体中に磁区を一列に並べると磁壁メモリを高密度化できるため、情報を保持する磁性体の形は直線状もしくは曲線状となっている。磁区が並んでいる方向に電流を流すと、電流を流す方向に沿って磁壁が平行移動する。磁壁メモリではこの現象を利用して、延伸された磁性体の一部の磁化を反転させたのち磁壁を移動させる、あるいは磁性体の一部の磁化状態を電気信号に変換したのち磁壁を移動させて、情報の書き込み/読み出し動作を行う。   If the magnetic domains are arranged in a line in the magnetic material, the domain wall memory can be densified, so the shape of the magnetic material that holds information is linear or curved. When a current is passed in the direction in which the magnetic domains are arranged, the domain wall moves in parallel along the direction in which the current flows. In the domain wall memory, this phenomenon is used to move the domain wall after reversing the magnetization of a part of the stretched magnetic material, or to move the domain wall after converting the magnetization state of a part of the magnetic material into an electric signal. Thus, an information write / read operation is performed.

米国特許第6.834,005号明細書US Pat. No. 6,834,005

情報を記録する多数の磁性体をウェハ面の垂直方向に延伸して細線として高密度に実装することで、磁壁メモリの大容量化が実現される。その一方で細線を形成するためには、予めウェハを微細加工して穴や柱状構造などの立体構造を形成し、磁性薄膜をその立体構造表面に成膜、細分化することで細線とする。あるいは電気化学反応を使って予め掘った穴に磁性体を充てんして細線とする方法が取られる。いずれの場合も、細線化の微細加工や電気化学反応に用いる電極形成が必要であり、製造コスト上昇の要因となっている。   A large capacity of the domain wall memory can be realized by extending a large number of magnetic bodies for recording information in the direction perpendicular to the wafer surface and mounting them at high density as thin wires. On the other hand, in order to form a fine line, the wafer is finely processed in advance to form a three-dimensional structure such as a hole or a columnar structure, and a magnetic thin film is formed on the surface of the three-dimensional structure and subdivided to form a fine line. Alternatively, a method is adopted in which a hole is dug in advance using an electrochemical reaction and filled with a magnetic material to form a fine wire. In either case, it is necessary to form an electrode used for fine processing for thinning and electrochemical reaction, which causes an increase in manufacturing cost.

そこで、本実施形態は、製造コストを下げることのできる磁気メモリを提供する。   Therefore, the present embodiment provides a magnetic memory that can reduce the manufacturing cost.

本実施形態による磁気メモリは、第1方向に延在し前記第1方向に直交する平面における断面が円環状である磁性体構造と、前記磁性体構造の前記第1方向に沿った外表面に設けられた非磁性層と、前記磁性体構造とは反対側の前記非磁性層の面の一部に設けられた磁性体を含む参照部と、を備えていることを特徴とする。   The magnetic memory according to the present embodiment has a magnetic body structure extending in the first direction and having an annular cross section in a plane perpendicular to the first direction, and an outer surface along the first direction of the magnetic body structure. And a reference portion including a magnetic material provided on a part of the surface of the nonmagnetic layer opposite to the magnetic material structure.

図1(a)、1(b)は、第1実施形態による磁気メモリを示す図。FIGS. 1A and 1B are diagrams showing a magnetic memory according to the first embodiment. 図2(a)、2(b)は、磁気メモリに記憶される情報の一例を説明する図。FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating an example of information stored in a magnetic memory. 図3(a)乃至図3(d)は、磁性チューブへの情報の書き込みおよび読み出された情報の状態を説明する図。FIG. 3A to FIG. 3D are diagrams for explaining the state of information written to and read from the magnetic tube. 図4(a)乃至図4(e)はシフト動作を説明する図。FIGS. 4A to 4E are diagrams for explaining the shift operation. 図5(a)乃至図5(e)は書き込み動作を説明する図。FIG. 5A to FIG. 5E are diagrams for explaining a write operation. 磁気メモリに接続される周辺回路群を示す図。The figure which shows the peripheral circuit group connected to a magnetic memory. 図7(a)乃至図7(d)は、初期化動作の一例を示すタイミングチャート。FIGS. 7A to 7D are timing charts showing an example of the initialization operation. 図8(a)乃至図8(d)は、書き込み動作を説明する図。8A to 8D are diagrams for explaining a write operation. 図9(a)乃至図9(d)は、書き込み動作の一例を示すタイミングチャート。FIG. 9A to FIG. 9D are timing charts showing an example of the write operation. 図10(a)乃至図10(d)は、読み出し動作を説明する図。FIG. 10A to FIG. 10D are diagrams illustrating a read operation. 図10(a)乃至図10(d)に示す読み出し動作を示すタイミングチャート。FIG. 11 is a timing chart showing the read operation shown in FIGS. 図12(a)乃至図12(e)は、読み出し動作の一例を示すタイミングチャート。12A to 12E are timing charts showing an example of a read operation. 第1実施形態の磁気メモリの製造工程を示す正面図。FIG. 3 is a front view showing a manufacturing process of the magnetic memory according to the first embodiment. 図14(a)、14(b)は、第1実施形態の磁気メモリの製造工程を示す図。FIGS. 14A and 14B are views showing a manufacturing process of the magnetic memory according to the first embodiment. 図15(a)、15(b)は、第1実施形態の磁気メモリの製造工程を示す図。FIGS. 15A and 15B are views showing manufacturing steps of the magnetic memory according to the first embodiment. 図16(a)、16(b)は、第1実施形態の磁気メモリの製造工程を示す図。FIGS. 16A and 16B are diagrams showing manufacturing steps of the magnetic memory according to the first embodiment. 図17(a)、17(b)は、第1実施形態の磁気メモリの製造工程を示す図。FIGS. 17A and 17B are views showing a manufacturing process of the magnetic memory according to the first embodiment. 図18(a)乃至図18(c)は、磁性チューブの縦断面形状の例を示す図。FIG. 18A to FIG. 18C are diagrams showing examples of the longitudinal sectional shape of the magnetic tube. 図19(a)、19(b)は、第1実施形態による磁気メモリを示す模式図。FIGS. 19A and 19B are schematic views showing the magnetic memory according to the first embodiment. 図20(a)、20(b)は、第2実施形態による磁気メモリを示す模式図。20A and 20B are schematic views showing a magnetic memory according to the second embodiment. 第3実施形態による磁気メモリの上面図。The top view of the magnetic memory by 3rd Embodiment. 第3実施形態による磁気メモリの正面図。The front view of the magnetic memory by 3rd Embodiment. 第3実施形態による磁気メモリの下面図。The bottom view of the magnetic memory by 3rd Embodiment. 第3実施形態の磁気メモリの書き込み動作の一例を説明する上面図。FIG. 6 is a top view for explaining an example of a write operation of a magnetic memory according to a third embodiment. 第3実施形態の磁気メモリの書き込み動作の一例を説明する正面図。The front view explaining an example of write-in operation of the magnetic memory of a 3rd embodiment. 第3実施形態の磁気メモリの書き込み動作の一例を説明する正面図。The front view explaining an example of write-in operation of the magnetic memory of a 3rd embodiment. 第3実施形態の磁気メモリの書き込み動作の一例を説明する正面図。The front view explaining an example of write-in operation of the magnetic memory of a 3rd embodiment. 第3実施形態の磁気メモリの書き込み動作の一例を説明する正面図。The front view explaining an example of write-in operation of the magnetic memory of a 3rd embodiment. 第3実施形態の磁気メモリの書き込み動作の一例を説明する正面図。The front view explaining an example of write-in operation of the magnetic memory of a 3rd embodiment. 第3実施形態の磁気メモリに接続される周辺回路を示す図。The figure which shows the peripheral circuit connected to the magnetic memory of 3rd Embodiment. 図31(a)乃至図31(i)は、第3実施形態の磁気メモリの一括書き込み動作の一例を示すタイミングチャート。FIG. 31A to FIG. 31I are timing charts showing an example of batch write operation of the magnetic memory according to the third embodiment. 第3実施形態の変形例による磁気メモリの上面図。The top view of the magnetic memory by the modification of 3rd Embodiment.

以下、図面を参照して実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
第1実施形態による磁気メモリ素子(磁気メモリセルともいう)を図1(a)、1(b)に示す。図1(a)は第1実施形態の磁気メモリ素子1の正面図で、図1(b)は、図1(a)に示す切断線A−Aで切断した断面図である。この第1実施形態の磁気メモリ素子1は、磁性チューブ10と、中間層16と、参照部18とを備えている。磁性チューブ10は第1方向(z軸方向)に延在し、この第1方向に直交する断面(x−y面における断面)が円環状を有している。磁性チューブ10の外表面に中間層16が形成されている。磁性チューブ10の外表面の一部分の領域に中間層16を介して参照部18が設けられている。なお、図1(a)、1(b)では、中間層16は、磁性チューブ10の端面以外の外表面の全てに設けられているが、参照部18が設けられた領域に設けられていてもよい。磁性チューブ10の内側は中空であってもよい。あるいは絶縁体、半導体、強誘電体、金属などの物質で埋め込まれていてもよい。磁性チューブ10の中心から見た参照部18および中間層16の磁性チューブ10との接触面の見込み角αは180°を超えない。
(First embodiment)
1A and 1B show a magnetic memory element (also referred to as a magnetic memory cell) according to the first embodiment. FIG. 1A is a front view of the magnetic memory element 1 of the first embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the cutting line AA shown in FIG. The magnetic memory element 1 according to the first embodiment includes a magnetic tube 10, an intermediate layer 16, and a reference unit 18. The magnetic tube 10 extends in the first direction (z-axis direction), and a cross section (cross section in the xy plane) orthogonal to the first direction has an annular shape. An intermediate layer 16 is formed on the outer surface of the magnetic tube 10. A reference portion 18 is provided in a region of a part of the outer surface of the magnetic tube 10 via an intermediate layer 16. In FIGS. 1A and 1B, the intermediate layer 16 is provided on the entire outer surface other than the end face of the magnetic tube 10, but is provided in a region where the reference portion 18 is provided. Also good. The inside of the magnetic tube 10 may be hollow. Alternatively, it may be embedded with a substance such as an insulator, a semiconductor, a ferroelectric, or a metal. The prospective angle α of the contact surface of the reference portion 18 and the intermediate layer 16 with the magnetic tube 10 viewed from the center of the magnetic tube 10 does not exceed 180 °.

参照部18は強磁性体である。強磁性体として、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及びクロム(Cr)から選択される少なくとも一つの元素と、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、及びロジウム(Rh)から選択される少なくとも一つの元素との合金を用いることができる。強磁性体として、例えばCoPt、NiFe、CoCrPt等も用いることができる。強磁性体の特性は、組成の変更、熱処理等によって変化させることができる。   The reference unit 18 is a ferromagnetic material. As the ferromagnetic material, at least one element selected from iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and chromium (Cr), platinum (Pt), palladium (Pd), An alloy with at least one element selected from iridium (Ir), ruthenium (Ru), and rhodium (Rh) can be used. For example, CoPt, NiFe, CoCrPt, or the like can be used as the ferromagnetic material. The properties of the ferromagnetic material can be changed by changing the composition, heat treatment or the like.

参照部18は、磁化が図1(b)に示す矢印19の方向(y軸方向)に固定されている。また、後述するように、磁性チューブ10は、それぞれが磁壁によって区切られた磁区がメモリとなり、スピントルクトランスファー方式を用いて参照部18によって、このメモリセルに情報を書き込むこと、またはメモリセルから情報を読み出すことを行う。このため、参照部18の、磁性チューブ10の延在する方向(z軸方向)の厚さtは、後述する記録長より小さいことが望ましく、実現できる磁壁幅を考慮すれば10nm以上程度で、高密度記録を念頭にすれば50nm以下であることが望ましい。電流を流した際に磁性チューブ10で発生するスピントルクの反作用によって、参照部18の磁化の向きが変化してしまう可能性がある。このため、参照部18のダンピング係数は、磁性チューブ10のダンピング係数よりも大きいことが望ましい。この場合、スピントルクによる参照部18の磁化反転に必要な時間が長くなる。よって、電流を流す時間が短い場合は参照部18の磁化が反転しにくくなる。   The magnetization of the reference portion 18 is fixed in the direction of the arrow 19 (y-axis direction) shown in FIG. Further, as will be described later, in the magnetic tube 10, magnetic domains each divided by a domain wall serve as a memory, and information is written into the memory cell by the reference unit 18 using the spin torque transfer method, or information is read from the memory cell. Is read out. For this reason, the thickness t of the reference portion 18 in the direction in which the magnetic tube 10 extends (z-axis direction) is preferably smaller than the recording length described later, and is about 10 nm or more in consideration of the realizable domain wall width. In consideration of high-density recording, it is desirable that the thickness is 50 nm or less. There is a possibility that the magnetization direction of the reference portion 18 changes due to the reaction of the spin torque generated in the magnetic tube 10 when a current is passed. For this reason, it is desirable that the damping coefficient of the reference portion 18 is larger than the damping coefficient of the magnetic tube 10. In this case, the time required for the magnetization reversal of the reference unit 18 by the spin torque becomes longer. Therefore, when the current flow time is short, the magnetization of the reference portion 18 is difficult to reverse.

中間層16は、本実施形態では、トンネル絶縁膜材料によって構成される。トンネル絶縁膜材料としては、例えばアルミニウム(Al)、チタン(Ti)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)、鉄から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物などを用いることができる。また、他にもAlAs、GaN、AlN、ZnSe、ZnO、MgOなどの大きなエネルギーギャップを有する半導体材料を用いることもできる。   In the present embodiment, the intermediate layer 16 is made of a tunnel insulating film material. Examples of the tunnel insulating film material include aluminum (Al), titanium (Ti), zinc (Zn), zirconium (Zr), tantalum (Ta), cobalt (Co), nickel (Ni), silicon (Si), magnesium ( Mg), an oxide containing at least one element selected from iron, nitride, fluoride, or oxynitride can be used. In addition, a semiconductor material having a large energy gap such as AlAs, GaN, AlN, ZnSe, ZnO, and MgO can be used.

また中間層16には、例えばTa、Ru、Pt、Pd、Ir、Cu、Au、Ag、Cr、Alもその構成材料として用いることができる。これらの元素を少なくとも2種類含む合金を用いてもよい。また、これらの元素から少なくとも1つを選択し他の元素と組み合わせた合金でも良い。これらの元素を積層構造を用いてもよい。   For the intermediate layer 16, for example, Ta, Ru, Pt, Pd, Ir, Cu, Au, Ag, Cr, and Al can be used as the constituent material. An alloy containing at least two of these elements may be used. Further, an alloy in which at least one of these elements is selected and combined with other elements may be used. A stacked structure of these elements may be used.

磁性チューブ10は、強磁性体、フェリ磁性体、又は人工格子から構成される。強磁性体として、Fe、Co、Ni、Mn、及びCrから選択される少なくとも一つの元素と、Pt、Pd、Ir、Ru、及びRhから選択される少なくとも一つの元素との合金を用いることができる。強磁性体として、例えばCoPt、NiFe、CoCrPt等も用いることができる。強磁性体の特性は、組成の変更、熱処理等によって変化させることができる。   The magnetic tube 10 is composed of a ferromagnetic material, a ferrimagnetic material, or an artificial lattice. As the ferromagnetic material, an alloy of at least one element selected from Fe, Co, Ni, Mn, and Cr and at least one element selected from Pt, Pd, Ir, Ru, and Rh is used. it can. For example, CoPt, NiFe, CoCrPt, or the like can be used as the ferromagnetic material. The properties of the ferromagnetic material can be changed by changing the composition, heat treatment or the like.

フェリ磁性体として、TbFeCo及びGdFeCo等の希土類と遷移金属とのアモルファス合金を用いることができる。これらの材料は、作製条件を選んで堆積すると磁化が堆積方向に向きやすくなる傾向があり、磁化を薄膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を設けたいときに用いることができる。また、希土類元素Tb、Gdと遷移金属元素Fe、Coの組成を調整することで交換スティッフネスや磁化の大きさを変えることができ磁性チューブ内の磁壁および磁区の挙動を変調する際に有利である。   As the ferrimagnetic material, an amorphous alloy of a rare earth such as TbFeCo and GdFeCo and a transition metal can be used. When these materials are deposited by selecting the production conditions, the magnetization tends to be easily oriented in the deposition direction, and can be used when the magnetization is desired to be provided in the direction perpendicular to the thin film surface. In addition, by adjusting the composition of rare earth elements Tb and Gd and transition metal elements Fe and Co, the exchange stiffness and the magnitude of magnetization can be changed, which is advantageous when modulating the behavior of the domain walls and magnetic domains in the magnetic tube. is there.

人工格子として、強磁性体と、Pt、Pd、Ir、Ru、Cu、Ag、Au、Crから選択される少なくとも一つの元素との合金との積層構造を用いることができる。作製条件と各層の膜厚を選ぶと強磁性層の磁化が反強磁性的な配置となるので、磁性チューブ10の磁化の大きさを調整することができる。強磁性体として、Fe、Co、Ni、Mn、及びCrから選択される少なくとも一つの元素と、Pt、Pd、Ir、Ru、及びRhから選択される少なくとも一つの元素との合金を用いることができる。強磁性体として、例えばCoPt、NiFe、CoCrPt等も用いることができる。   As the artificial lattice, a laminated structure of a ferromagnetic material and an alloy of at least one element selected from Pt, Pd, Ir, Ru, Cu, Ag, Au, and Cr can be used. When the fabrication conditions and the film thickness of each layer are selected, the magnetization of the ferromagnetic tube 10 has an antiferromagnetic arrangement, so that the magnetization of the magnetic tube 10 can be adjusted. As the ferromagnetic material, an alloy of at least one element selected from Fe, Co, Ni, Mn, and Cr and at least one element selected from Pt, Pd, Ir, Ru, and Rh is used. it can. For example, CoPt, NiFe, CoCrPt, or the like can be used as the ferromagnetic material.

次に、本実施形態の磁気メモリ素子1の動作原理について図2(a)乃至図7(b)参照して説明する。   Next, the principle of operation of the magnetic memory element 1 of this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 7 (b).

図2(a)に示すように、磁性チューブ10は磁束が磁性チューブ10の中で閉じるように磁化しうる。図2(a)では、磁性チューブの延在する方向(図1(a)に示すz軸)に沿って下方から上方へ望み見たときの磁性チューブ10の磁化の方向を矢印で示しており、時計回りと反時計回りの2種類の磁化方向がある。磁気メモリ素子1はこの2つの状態を使って情報を記録する。本明細書では、時計回りの磁化は“0”を、反時計回り磁化は情報“1”を表すとする。なお、時計回りの磁化を“1”を、反時計回り磁化を情報“0”を表してもよい。   As shown in FIG. 2A, the magnetic tube 10 can be magnetized so that the magnetic flux is closed in the magnetic tube 10. In FIG. 2A, the direction of magnetization of the magnetic tube 10 when viewed from the lower side upward along the extending direction of the magnetic tube (the z axis shown in FIG. 1A) is indicated by an arrow. There are two types of magnetization directions, clockwise and counterclockwise. The magnetic memory element 1 records information using these two states. In this specification, it is assumed that clockwise magnetization represents “0” and counterclockwise magnetization represents information “1”. The clockwise magnetization may represent “1” and the counterclockwise magnetization may represent information “0”.

磁性チューブ10は図2(b)に示すように、磁性チューブ10の部分によって時計回りもしくは反時計回りのいずれかの方向へ磁化しているような多磁区状態を取りうる。図2(b)に示すように、磁性チューブ10の延在する方向(z軸方向)に記録長を定義すれば、この多磁区状態をビット配列に読み替えることができる。例えば図2(b)に示す多磁区状態は、z軸上方から数えるビット配列0100101101を表現する。なお、図2(b)においては、白い部分が情報“0”を表し、斜線部分が情報“1”を表す。   As shown in FIG. 2B, the magnetic tube 10 can take a multi-domain state in which the magnetic tube 10 is magnetized in a clockwise or counterclockwise direction by a portion of the magnetic tube 10. As shown in FIG. 2B, if the recording length is defined in the extending direction of the magnetic tube 10 (z-axis direction), this multi-domain state can be read as a bit arrangement. For example, the multi-domain state shown in FIG. 2B represents a bit arrangement 0100101101 counted from above the z-axis. In FIG. 2B, the white portion represents information “0” and the shaded portion represents information “1”.

磁気メモリ素子1は上述したように、磁性チューブ10と、中間層16と、参照部18とを備えており、これを用いることで上記多磁区状態を作り出し、この磁区状態(磁区に記憶された磁化方向)を電気信号に変換することができる。図3(a)乃至図3(d)を参照して、磁性チューブ10の磁化の操作方法と、磁区状態の電気信号への変換方法とについて説明する。   As described above, the magnetic memory element 1 includes the magnetic tube 10, the intermediate layer 16, and the reference unit 18. By using this, the multi-domain state is created and this magnetic domain state (stored in the magnetic domain is stored). Magnetization direction) can be converted into an electrical signal. With reference to FIG. 3 (a) thru | or FIG.3 (d), the operation method of the magnetization of the magnetic tube 10 and the conversion method to the electrical signal of a magnetic domain state are demonstrated.

図3(a)、図3(b)は磁性チューブ10の磁化を電流で操作する方法を示している。良く知られているように、スピンバルブと呼ばれる第1および第2強磁性層の間に非磁性の金属層もしくは絶縁層を挟んだ構造において、第1および第2強磁性層間に電流を流すことで、スピン偏極電流に起因したスピントルクが発生し、第1および第2強磁性層の磁化方向を平行配置か反平行配置に制御することができる。第1および第2強磁性層のうち片方の強磁性層(例えば第1強磁性層)の磁化を構造的工夫によって特定方向に固定しておくと、もう一方の強磁性層(第2強磁性層)の磁化のみが電流を流すことで反転する。磁化が固定された第1強磁性層(固定層)から第2強磁性層へ電流を流すと、第2強磁性層の磁化は第1強磁性層の磁化と反平行な向きへ反転し、逆方向に電流を流すと平行な向きへ反転する。本実施形態の磁気メモリ素子1においても同様の物理現象を使って磁性チューブ10の磁化の制御が行われる。   FIG. 3A and FIG. 3B show a method of manipulating the magnetization of the magnetic tube 10 with an electric current. As is well known, a current flows between the first and second ferromagnetic layers in a structure in which a nonmagnetic metal layer or insulating layer is sandwiched between first and second ferromagnetic layers called a spin valve. Thus, a spin torque due to the spin-polarized current is generated, and the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers can be controlled to be parallel or antiparallel. If the magnetization of one of the first and second ferromagnetic layers (for example, the first ferromagnetic layer) is fixed in a specific direction by structural contrivance, the other ferromagnetic layer (second ferromagnetic layer) Only the magnetization of the layer) is reversed by passing a current. When a current is passed from the first ferromagnetic layer (fixed layer) whose magnetization is fixed to the second ferromagnetic layer, the magnetization of the second ferromagnetic layer is reversed in a direction antiparallel to the magnetization of the first ferromagnetic layer, When current flows in the opposite direction, it reverses in the parallel direction. Also in the magnetic memory element 1 of the present embodiment, the magnetization of the magnetic tube 10 is controlled using the same physical phenomenon.

参照部18は、延在している方向(図1(a)に示すy軸方向)に磁化容易軸を有するので、予め一方向(図3(a)乃至図3(d)では紙面向かって右向き)に着磁しておく。参照部は形状異方性、およびダンピング係数が大きい材料を選択的に用いることで、スピンバルブにおける固定層と同等の働きをすることができる。つまり、参照部18はスピン偏極電流を磁性チューブ10に流す電極として機能する。そして、本明細書では、書き込み電流Iwを磁性チューブ10から中間層16を介して参照部18に流す向きを正とする。参照部18が存在することで磁性チューブ10の一部分の磁化に対し、負の書き込み電流(−Iw)が磁性チューブ10と参照部18との間で流れる場合は、参照部18の磁化と反平行になるように(図3(a))スピントルクが働く。また、逆に書き込み電流が正(Iw)である場合は、平行になるようにスピントルクが働く(図3(b))。本実施形態の磁気メモリ1ではこれを利用して、参照部18に隣接した磁性チューブ10の部分の磁化を“1”→“0”の状態する場合は、図3(a)に示すように、負の書き込み電流(−Iw)を流し、磁性チューブ10の部分の磁化を平行(波線で示す方向)から反平行(実線で示す方向)にすることにより、情報の書き込みを行う。また、図3(b)に示すように、“0”→“1”の状態する場合は正の書き込み電流(Iw)を流し、磁性チューブ10の部分の磁化を反平行(波線で示す方向)から平行(実線で示す方向)にすることにより、情報の書き込みを行う。   Since the reference portion 18 has an easy magnetization axis in the extending direction (the y-axis direction shown in FIG. 1A), the reference portion 18 is directed in advance in one direction (FIGS. 3A to 3D). Magnetize in the right direction). By selectively using a material having a large shape anisotropy and a damping coefficient, the reference portion can perform the same function as the fixed layer in the spin valve. That is, the reference unit 18 functions as an electrode that allows a spin-polarized current to flow through the magnetic tube 10. In this specification, the direction in which the write current Iw flows from the magnetic tube 10 to the reference unit 18 through the intermediate layer 16 is positive. When a negative write current (−Iw) flows between the magnetic tube 10 and the reference unit 18 with respect to the magnetization of a part of the magnetic tube 10 due to the presence of the reference unit 18, the magnetization of the reference unit 18 is antiparallel. (FIG. 3 (a)), spin torque works. Conversely, when the write current is positive (Iw), the spin torque acts so as to be parallel (FIG. 3B). In the magnetic memory 1 of the present embodiment, when this is utilized and the magnetization of the portion of the magnetic tube 10 adjacent to the reference portion 18 is changed from “1” to “0”, as shown in FIG. By writing a negative write current (−Iw), the magnetization of the portion of the magnetic tube 10 is changed from parallel (direction indicated by a wavy line) to antiparallel (direction indicated by a solid line), thereby writing information. Further, as shown in FIG. 3B, in the case of “0” → “1”, a positive write current (Iw) is passed, and the magnetization of the portion of the magnetic tube 10 is antiparallel (the direction indicated by the wavy line). The information is written by making it parallel to the direction indicated by the solid line.

情報の読み出しは、トンネル磁気抵抗効果(TMR効果)を使って参照部18に隣接した磁性チューブ10の一部分の磁化の方向を電気信号に変換することで行う。スピンバルブと同様に、本実施形態の磁気メモリ1においては、磁性チューブ10と参照部18は絶縁体からなる中間層16により隔てられていて、流れる電流はトンネル電流である。したがって、磁性チューブ10の磁化と参照部18の磁化とが反平行である場合は、平行である場合に比べて、磁性チューブ10と参照部18との間の抵抗が高くなる。図3(c)、図3(d)に示した構成では、参照部18に隣接した磁性チューブ10の一部分が“0”に代表される方向に磁化を有している時、磁性チューブ10と参照部18との間の抵抗は高抵抗状態となり、“1”となる磁化を有している時は低抵抗状態となっている。電流を磁性チューブ10と参照部18との間に流し、磁性チューブ10と参照部18との間で降下する電圧を読み取り信号とする。   Reading of information is performed by converting the magnetization direction of a part of the magnetic tube 10 adjacent to the reference unit 18 into an electric signal by using the tunnel magnetoresistance effect (TMR effect). Similar to the spin valve, in the magnetic memory 1 of the present embodiment, the magnetic tube 10 and the reference portion 18 are separated by the intermediate layer 16 made of an insulator, and the flowing current is a tunnel current. Therefore, when the magnetization of the magnetic tube 10 and the magnetization of the reference portion 18 are antiparallel, the resistance between the magnetic tube 10 and the reference portion 18 is higher than when the magnetization is parallel. In the configuration shown in FIGS. 3C and 3D, when a part of the magnetic tube 10 adjacent to the reference portion 18 has magnetization in the direction represented by “0”, the magnetic tube 10 The resistance to the reference unit 18 is in a high resistance state, and when it has a magnetization of “1”, it is in a low resistance state. A current is passed between the magnetic tube 10 and the reference unit 18, and a voltage dropping between the magnetic tube 10 and the reference unit 18 is used as a read signal.

本実施形態の磁気メモリ1においては、上記書き込み動作より生成した磁壁を伴う磁区を磁性チューブ10内でシフト移動させる必要がある。磁気メモリ1では、図4(a)乃至図4(e)に示すように、磁性チューブ10に電流を流して磁壁をシフト移動させる。図4(a)は白い部分が状態“0”で、斜線部が状態“1”である磁性チューブ10を表している。白い部分と斜線部分との間が磁壁となっている。この磁壁では、磁化方向がねじれている。   In the magnetic memory 1 of this embodiment, it is necessary to shift and move the magnetic domain with the domain wall generated by the write operation in the magnetic tube 10. In the magnetic memory 1, as shown in FIGS. 4A to 4E, a current is passed through the magnetic tube 10 to shift the domain wall. FIG. 4A shows the magnetic tube 10 in which the white portion is in the state “0” and the shaded portion is in the state “1”. There is a domain wall between the white part and the shaded part. In this domain wall, the magnetization direction is twisted.

図4(b)に示すように、電流を紙面上方から下方へ流すと、磁壁が下方から上方に向かってシフトする。下方から上方へ向かって流れる電子は、磁化がねじれている磁壁の部分でスピントルクを生じさせる。このスピントルクは磁壁を挟んで下方の磁区の磁化の向きに上方の磁化を向ける働きがある。結果、磁区の大きさ、すなわち磁性チューブ10の延在する方向における磁区の長さ(記録長)は保ったまま磁壁が電流によってシフトする。図4(c)に示すように、電流を流し続ける間、磁壁のシフトは続き、また図4(d)、(e)に示すように流す電流の向きを逆転すると磁壁のシフトの向きも逆転する。以上のような書き込み動作、読み出し動作、シフト動作を組み合わせることで、磁気メモリ1に情報を格納し、また磁気メモリ1から情報を読み出すことができる。   As shown in FIG. 4B, when a current is passed from the upper side to the lower side of the drawing, the domain wall shifts from the lower side to the upper side. The electrons flowing from the bottom to the top cause spin torque at the domain wall portion where the magnetization is twisted. This spin torque works to direct the upper magnetization in the direction of magnetization of the lower magnetic domain across the domain wall. As a result, the domain wall is shifted by the current while maintaining the size of the magnetic domain, that is, the length (recording length) of the magnetic domain in the extending direction of the magnetic tube 10. As shown in FIG. 4C, the domain wall shift continues while the current continues to flow, and when the direction of the flowing current is reversed as shown in FIGS. 4D and 4E, the domain wall shift direction is also reversed. To do. By combining the above write operation, read operation, and shift operation, information can be stored in the magnetic memory 1 and information can be read from the magnetic memory 1.

(初期化動作)
磁気メモリ1を作製した直後の磁性チューブ10の磁化配置は、様々な要因によって変化する可能性があるので、予測不可能である。したがって、使用を開始する前に磁性チューブ10の磁化を初期化する必要がある。
(Initialization operation)
Since the magnetization arrangement of the magnetic tube 10 immediately after the magnetic memory 1 is manufactured may change due to various factors, it cannot be predicted. Therefore, it is necessary to initialize the magnetization of the magnetic tube 10 before starting use.

従来のように、磁性細線を用いた磁壁メモリの場合は、原則として、外部磁界を印加することで細線の磁化を一方向へ向けることで初期化が行われる。   As in the prior art, in the case of a domain wall memory using magnetic thin wires, in principle, initialization is performed by directing the magnetization of the thin wires in one direction by applying an external magnetic field.

一方、本実施形態における磁性チューブ10は磁束がチューブ10のなかで閉じているため外部磁場を印加しても磁化状態を均一にすることができない。そこで、図5(a)乃至図5にあるように書き込み動作とシフト動作を組み合わせて、磁性チューブ10の初期化を行う。磁性チューブ10の初期化前の状態は、図5(a)に示すように、予測困難な磁化配置を取っている。ここで参照部18から磁性チューブ10に電流の流し、参照部18に隣接した磁性チューブ10の一部分の磁化を状態“1”に変える(図5(b))。もしこの部分の状態が電流を流す前から状態“1”であれば、何も変化は起こらない。続いて磁性チューブ10に負のシフト電流(−Is)の電流を流し、磁壁を紙面下方に1記録長だけシフトさせる(図5(c))。なお、シフト電流Isは、本明細書では、図5(e)に示すように紙面上方から下方に流れる方向を正と、図5(c)に示すように紙面下方から上方に流れる方向を負とする。この二つの動作を磁性チューブ10の下方まで確実に状態“1”になるまで繰り返す(図5(d))。図5(a)乃至図5(e)では、磁性チューブ10は参照部8から下端まで6ビット分(磁区および磁壁が6個分)の長さがあるので6回繰り返す必要がある。最後に、磁壁が磁性チューブ10の上端に到達するのに十分な時間、シフト電流Isを流すことで、磁性チューブ10をすべて状態“1”にすることができる。このようにして磁気メモリ1の初期化を実施することができる。   On the other hand, since the magnetic tube 10 in the present embodiment is closed in the tube 10, the magnetized state cannot be made uniform even when an external magnetic field is applied. Therefore, the magnetic tube 10 is initialized by combining the write operation and the shift operation as shown in FIGS. The state before the initialization of the magnetic tube 10 takes a magnetization arrangement that is difficult to predict, as shown in FIG. Here, current flows from the reference portion 18 to the magnetic tube 10 to change the magnetization of a portion of the magnetic tube 10 adjacent to the reference portion 18 to the state “1” (FIG. 5B). If this state is the state “1” before the current flows, no change occurs. Subsequently, a negative shift current (-Is) is passed through the magnetic tube 10 to shift the domain wall downward by 1 recording length (FIG. 5C). In the present specification, the shift current Is is positive in the direction flowing from the upper side to the lower side as shown in FIG. 5E and negative in the direction flowing from the lower side to the upper side as shown in FIG. 5C. And These two operations are repeated until the state “1” is surely reached below the magnetic tube 10 (FIG. 5D). In FIGS. 5A to 5E, the magnetic tube 10 has a length of 6 bits from the reference portion 8 to the lower end (corresponding to 6 magnetic domains and domain walls), so it needs to be repeated 6 times. Finally, all the magnetic tubes 10 can be brought into the state “1” by causing the shift current Is to flow for a time sufficient for the domain wall to reach the upper end of the magnetic tube 10. In this way, the magnetic memory 1 can be initialized.

このような初期化動作は、例えば図6に示す回路群、すなわち、磁壁移動用電源30、入出力制御器32、磁気情報検出器34、入出力用電源36、磁性チューブ選択制御器38を磁気メモリ1に接続することで実現される。磁壁移動用電源20の出力はバイポーラであり、必要に応じて正の向きの電流と負の向きの電流を選択して流すことができる。参照部18と入出力用電源36との間にはトランジスタ35が設けられ、そのトランジスタ35のゲート電極に接続された入出力制御器32からの電圧信号により、トランジスタ35のチャネルは導通状態となり、参照部18へ入出力用電源36から電流を流すことが可能となる。入出力用電源36も出力はバイポーラである。磁性チューブ10と接地ラインとの間にもトランジスタ37が設けられていて、そのトランジスタ37のゲート端子に磁性チューブ選択制御器38からの電圧信号Vtubeが印加されない限り、磁性チューブ10に電流が流れることはない。 Such an initialization operation includes, for example, the circuit group shown in FIG. This is realized by connecting to the memory 1. The output of the domain wall motion power supply 20 is bipolar, and a positive current and a negative current can be selected and flowed as necessary. A transistor 35 is provided between the reference unit 18 and the input / output power supply 36. The voltage signal from the input / output controller 32 connected to the gate electrode of the transistor 35 causes the channel of the transistor 35 to become conductive. It is possible to flow current from the input / output power source 36 to the reference unit 18. The output of the input / output power supply 36 is also bipolar. A transistor 37 is also provided between the magnetic tube 10 and the ground line, and a current flows through the magnetic tube 10 unless a voltage signal V tube from the magnetic tube selection controller 38 is applied to the gate terminal of the transistor 37. There is nothing.

このような構成では、上記の初期化動作は、例えば図7(a)乃至図7(d)に示す時系列信号を磁性チューブ10と2つのトランジスタ35,37に与えることで実現される。なお、図7(a)乃至図7(d)は、各メモリセルに正の書き込み電流Iwを流す場合、すなわち、各メモリセルに情報“1”を書き込むタイミングチャートを表している。   In such a configuration, the above-described initialization operation is realized, for example, by applying the time-series signals shown in FIGS. 7A to 7D to the magnetic tube 10 and the two transistors 35 and 37. 7A to 7D show timing charts in the case where a positive write current Iw is supplied to each memory cell, that is, information “1” is written to each memory cell.

初期化動作中、磁性チューブ10にはシフトまたは書き込みのパルス電流を流す必要があるため、電圧信号Vtubeは常にトランジスタ37に印加させている(図7(c))。書き込み電流Iは、入出力制御器32の電圧信号VIOCが印加されている間に流される(図7(b)、図7(d))。 During the initialization operation, it is necessary to apply a shift or write pulse current to the magnetic tube 10, so that the voltage signal V tube is always applied to the transistor 37 (FIG. 7C). The write current I w is flowed while the voltage signal V IOC input-output controller 32 is applied (FIG. 7 (b), the FIG. 7 (d)).

(書き込み動作)
上記初期化動作と、書き込み動作と、シフト動作とを組み合わせることで、この素子をメモリとして作動させることができる。図8(a)乃至図8(d)と図9(a)乃至図9(d)を参照して説明する。まず上で述べた初期化動作を用いて磁性チューブ10内の磁化を一様にそろえる(図8(a))。このとき磁性チューブ10内の磁化は紙面の上方から望み見て反時計回りの向きに揃っており状態“1”にある。ここで負の書き込み電流(−Iw)を磁性チューブ10と参照部18との間に流すと、磁性チューブ10の参照部18に接した部分の磁化が反転し状態“0”へ変化する(図8(b))。引き続き、負のシフト電流(−Is)を流して磁壁(磁区)を紙面の下方へ磁性チューブ内を3ビット長(3つの記録長)だけ移動させる(図8(c))。印加する電流は1ビット分をシフトさせる時間幅を持つパルスを3つ与えてもよいし、連続的に一定の電流を与え3ビットシフトし終わる頃を見計らって切ってもよい。さらに再び磁性チューブ10と参照部18との間に負の書き込み電流(−Iw)を流して磁性チューブ10の参照層18に接している部分の磁化を反転させる(図8(d))。以上の操作によって4ビット情報“0110”が磁性チューブ10に格納されたことになる。
(Write operation)
This element can be operated as a memory by combining the initialization operation, the write operation, and the shift operation. This will be described with reference to FIGS. 8A to 8D and FIGS. 9A to 9D. First, the magnetization in the magnetic tube 10 is made uniform using the initialization operation described above (FIG. 8A). At this time, the magnetization in the magnetic tube 10 is aligned in the counterclockwise direction as desired from above the paper surface and is in the state “1”. Here, when a negative write current (−Iw) is passed between the magnetic tube 10 and the reference portion 18, the magnetization of the portion in contact with the reference portion 18 of the magnetic tube 10 is reversed and changes to the state “0” (FIG. 8 (b)). Subsequently, a negative shift current (−Is) is supplied to move the domain wall (domain) to the lower side of the paper by 3 bits (three recording lengths) in the magnetic tube (FIG. 8C). The applied current may be provided with three pulses having a time width for shifting one bit, or may be cut off when the constant current is continuously given and the three-bit shift is completed. Further, a negative write current (-Iw) is again flowed between the magnetic tube 10 and the reference portion 18 to reverse the magnetization of the portion in contact with the reference layer 18 of the magnetic tube 10 (FIG. 8D). With the above operation, the 4-bit information “0110” is stored in the magnetic tube 10.

この動作をタイミングチャートで表わすと、例えば図9(a)乃至図9(d)に示すようになる。事前に初期化をしているため、情報“1”を書き込む際の書き込み電流は必要なく、磁壁移動用のシフト電流Iのみが磁性チューブ10に印加される(図9(a)、図9(b))。 This operation is represented by timing charts as shown in FIGS. 9A to 9D, for example. Due to the initialization in advance, the write current is not required when writing information "1", only the shift current I s for the domain wall movement is applied to the magnetic tube 10 (FIG. 9 (a), 9 (B)).

(読み出し動作)
磁性チューブ10に格納された情報を読み出す方法の一例について図10(a)乃至図10(e)および図11を参照して説明する。本実施形態の磁気メモリ1においては磁性チューブ10に格納された情報の読み出しは、参照部18と磁性チューブ10との間に生じるトンネル磁気抵抗を用いることに行われる。ここで、参照部18は、図1(a)、図1(b)と同様に、紙面の方向きに磁化していると仮定する。図10(a)の状態では、参照部18とそれに接した磁性チューブ10の部分の磁化は反平行となっているため、磁性チューブ10の端子10Aと、参照部18の端子18Bとの間の抵抗は比較的高い値を示すことになる。一方、磁性チューブ10内にシフト電流Isを流し、磁壁を紙面の上方に一ビットだけシフトさせると、参照部18の磁化と、磁性チューブ10の参照部18に接した部分の磁化の向きが平行になる。このため、トンネル磁気抵抗が小さくなり端子10Aと端子18Bとの間における抵抗は、磁化配置が反平行である場合に比べて低くなる(図10(b))。その後、シフト電流によって磁壁位置の一ビット分シフトさせ、その都度、端子10Aと端子18Bの間の抵抗を測定することにより、磁性チューブ10に格納された情報を読み出す(図10(c)、図10(d))。図10(a)乃至図10(d)に示すステップで読み出した情報、すなわち端子10Aと端子18Bとの間における抵抗を図11に示す。このように、シフト電流によって磁壁位置の一ビット分シフトさせ、その都度、端子10Aと端子18Bの間の抵抗を測定することにより、磁性チューブ10に格納された情報を読み出すことができる。この読み出し動作によって読み出された情報の順番は、磁性チューブ10に格納された情報の順番と逆になる。このため、磁気メモリ1はLIFO(Last-In First-Out)のシーケンシャルアクセス情報記録素子として機能する。
(Read operation)
An example of a method for reading the information stored in the magnetic tube 10 will be described with reference to FIGS. 10 (a) to 10 (e) and FIG. In the magnetic memory 1 of this embodiment, reading of information stored in the magnetic tube 10 is performed by using a tunneling magnetoresistance generated between the reference unit 18 and the magnetic tube 10. Here, it is assumed that the reference unit 18 is magnetized in the direction of the paper surface as in FIGS. 1 (a) and 1 (b). In the state of FIG. 10A, the magnetization of the reference portion 18 and the portion of the magnetic tube 10 in contact with the reference portion 18 is antiparallel, and therefore between the terminal 10 </ b> A of the magnetic tube 10 and the terminal 18 </ b> B of the reference portion 18. The resistance will show a relatively high value. On the other hand, when a shift current Is is passed through the magnetic tube 10 and the domain wall is shifted by one bit above the paper surface, the magnetization of the reference portion 18 and the magnetization direction of the portion in contact with the reference portion 18 of the magnetic tube 10 are parallel. become. For this reason, the tunnel magnetic resistance is reduced, and the resistance between the terminal 10A and the terminal 18B is lower than that in the case where the magnetization arrangement is antiparallel (FIG. 10B). Then, the information stored in the magnetic tube 10 is read by shifting the domain wall position by one bit by the shift current and measuring the resistance between the terminal 10A and the terminal 18B each time (FIG. 10 (c), FIG. 10 (d)). FIG. 11 shows information read in the steps shown in FIGS. 10A to 10D, that is, resistance between the terminal 10A and the terminal 18B. Thus, the information stored in the magnetic tube 10 can be read by shifting the domain wall position by one bit by the shift current and measuring the resistance between the terminal 10A and the terminal 18B each time. The order of information read out by this reading operation is opposite to the order of information stored in the magnetic tube 10. For this reason, the magnetic memory 1 functions as a LIFO (Last-In First-Out) sequential access information recording element.

この読み出し動作をタイミングチャートで表すと、例えば図12(a)乃至図12(e)に示すようになる。磁気情報を読み出すために参照部18を経て磁性チューブ10へ読み出し電流Iを入出力用電源36より流す。その時の電圧降下Vを磁気情報検出器34により検知して、磁気情報へ変換する。この際、流す読み出し電流Iは書き込み電流Iよりも小さい必要があり、例えば、読み出し電流Iは書き込み電流Iの1/10である。 This read operation is represented by timing charts as shown in FIGS. 12A to 12E, for example. The read current I R to the magnetic tube 10 via the reference section 18 to read the magnetic information flow from the output power supply 36. The voltage drop V R at that time is detected by the magnetic information detector 34 converts the magnetic information. At this time, the read current I R must smaller than the write current I W to flow, for example, the read current I R is 1/10 of the write current I W.

(磁気メモリの製造方法)
本実施形態の磁気メモリ1は、例えば図13乃至図17(b)に示すような手順で作製する。まず図17に示すように、熱酸化膜(図示せず)が表面に形成されているシリコンからなるウェハ基板100を用意する。このウェハ基板100上に、Ta下地層とCu層からなる下部配線111と、酸化シリコンからなる支持材層112と、参照部となるCoFeBからなる参照部磁性体層113と、酸化シリコンからなる支持材層114と、エッチングの際のマスクとなる金属Al層(マスク材層)115とがこの順序で積層された多層膜110を、超高真空スパッタ装置を用いて作製する(図13)。なお、図13は、多層膜110が作製されたウェハの正面図である。
(Method of manufacturing magnetic memory)
The magnetic memory 1 of the present embodiment is manufactured by the procedure as shown in FIGS. 13 to 17B, for example. First, as shown in FIG. 17, a wafer substrate 100 made of silicon on which a thermal oxide film (not shown) is formed is prepared. On this wafer substrate 100, a lower wiring 111 made of a Ta underlayer and a Cu layer, a support material layer 112 made of silicon oxide, a reference part magnetic layer 113 made of CoFeB serving as a reference part, and a support made of silicon oxide. A multilayer film 110 in which a material layer 114 and a metal Al layer (mask material layer) 115 serving as a mask for etching are stacked in this order is manufactured using an ultrahigh vacuum sputtering apparatus (FIG. 13). FIG. 13 is a front view of the wafer on which the multilayer film 110 is formed.

作製した多層膜110上にネガレジストを塗布してレジスト層(図示せず)を形成した後、ArF液侵露光装置でレジスト層を露光し、現像することで円形状の穴をレジスト層に形成する。続いて、ウェハを反応性イオンエッチング装置(以下、RIE装置ともいう)に導入し、BClガスを主体する反応ガスを用いてレジスト層のパターンを金属Al層115に転写し、金属Al層115に円形状の穴を形成する。その後、ウェハをRIE装置から取り出し、ウェットプロセスによって上記レジスト層を取り除き、再びウェハをRIE装置へ導入する。今度は、CHFガスを使用した深堀RIEプロセスを用いて酸化シリコン層114に金属Al層115をマスクとして縦穴を形成する。このプロセスは参照部磁性体層113に達した時点で一旦止める。次に、反応ガスを再びBClを主体とするガスに切り替え、参照部磁性体層113にも縦穴を開ける。縦穴が参照部磁性体層113を貫通した時点で、反応ガスを、CHFを主体とするガスに切り替え、再び縦掘りRIEプロセスで下部配線111に達するまで縦穴116を酸化シリコン層112に形成する(図14(a)、14(b))。なお、図14(a)および図14(b)はウェハの正面図および上面図である。 A negative resist is applied to the produced multilayer film 110 to form a resist layer (not shown), and then the resist layer is exposed and developed with an ArF immersion exposure apparatus to form a circular hole in the resist layer. To do. Subsequently, the wafer is introduced into a reactive ion etching apparatus (hereinafter also referred to as an RIE apparatus), and a resist layer pattern is transferred to the metal Al layer 115 using a reaction gas mainly composed of BCl 3 gas. A circular hole is formed on the surface. Thereafter, the wafer is taken out from the RIE apparatus, the resist layer is removed by a wet process, and the wafer is again introduced into the RIE apparatus. Next, a vertical hole is formed in the silicon oxide layer 114 by using the metal Al layer 115 as a mask by using a deep RIE process using CHF 3 gas. This process is stopped once when the reference magnetic layer 113 is reached. Next, the reaction gas is switched again to a gas mainly composed of BCl 3 , and a vertical hole is also formed in the reference part magnetic layer 113. When the vertical hole penetrates the reference magnetic layer 113, the reaction gas is switched to a gas mainly composed of CHF 3 and the vertical hole 116 is formed in the silicon oxide layer 112 until the lower wiring 111 is reached again by the vertical RIE process. (FIGS. 14A and 14B). 14A and 14B are a front view and a top view of the wafer.

次に、ウェハを原子層堆積装置(以下、ALD装置ともいう)に導入し、縦穴116を含むウェハ表面全体に均一なMg層を形成する。Mg層を堆積後、ウェハを大気に曝すことなく超高真空装置に導入し、酸素プラズマをウェハ表面に照射してMg酸化膜117を縦穴116を含むウェハ全面に形成する。さらにウェハを再び、大気に曝すことなく、ALD装置へ導入し均一なCoFeB118を、縦穴116を含むウェハ全面に形成する。ALD装置から取り出したウェハは化学的機械研磨プロセス(CMP)によってウェハに形成された余分なCoFeB層および酸化Mg層と、マスクである金属Al層115を取り除く(図15(a)、図15(b))。図15(a)および図15(b)はそれぞれ、金属Al層115を取り除いた後のウェハの正面図および上面図である。   Next, the wafer is introduced into an atomic layer deposition apparatus (hereinafter also referred to as an ALD apparatus), and a uniform Mg layer is formed on the entire wafer surface including the vertical holes 116. After the Mg layer is deposited, the wafer is introduced into an ultra-high vacuum apparatus without being exposed to the atmosphere, and oxygen plasma is irradiated onto the wafer surface to form an Mg oxide film 117 on the entire wafer surface including the vertical holes 116. Further, the wafer is again introduced into the ALD apparatus without being exposed to the atmosphere, and uniform CoFeB 118 is formed on the entire surface of the wafer including the vertical holes 116. The wafer taken out from the ALD apparatus removes the extra CoFeB layer and Mg oxide layer formed on the wafer by the chemical mechanical polishing process (CMP) and the metal Al layer 115 as a mask (FIG. 15A, FIG. 15). b)). FIGS. 15A and 15B are a front view and a top view of the wafer after the metal Al layer 115 is removed, respectively.

再びレジストを塗布してレジスト層(図示せず)を形成し、ArF液侵露光装置へ導入される。ここで、磁性チューブと参照部の形状が重畳したパターンを露光し、現像する。続いて、ウェハをArイオンミリング装置に導入して、レジスト層をマスクとしてミリングを行い、下部配線112の上面が露出するまでミリングを行い、その後、イオンミリング装置からウェハを取り出す(図16(a)、16(b))。なお、図16(a)および図16(b)は、ウェハの正面図および上面図である。   The resist is applied again to form a resist layer (not shown) and introduced into an ArF immersion exposure apparatus. Here, a pattern in which the shape of the magnetic tube and the reference portion are superimposed is exposed and developed. Subsequently, the wafer is introduced into an Ar ion milling apparatus, milling is performed using the resist layer as a mask, milling is performed until the upper surface of the lower wiring 112 is exposed, and then the wafer is taken out from the ion milling apparatus (FIG. 16A ), 16 (b)). FIGS. 16A and 16B are a front view and a top view of the wafer.

上記レジスト層をつけたまま酸化装置にウェハを導入し、図17(a)、図17(b)に示すように参照部磁性層113の円弧になった部分がすべて酸化されて酸化層119となるまで酸化プロセスをウェハに対して実施する。この結果、第1実施形態の磁気メモリ1が形成される。なお、図17(a)および図17(b)は、ウェハの正面図および上面図である。   The wafer was introduced into the oxidizer with the resist layer attached, and the arc portion of the reference portion magnetic layer 113 was all oxidized as shown in FIGS. 17A and 17B, and the oxidized layer 119 and The oxidation process is performed on the wafer until it is. As a result, the magnetic memory 1 of the first embodiment is formed. FIG. 17A and FIG. 17B are a front view and a top view of the wafer.

また、磁性チューブを構成する材料118と支持材層112、114に用いる材料に熱膨張率の大きく異なる材料を用いて、磁性チューブの形成時の作製温度と室温とにおける磁性チューブへの応力変化を利用し、磁性チューブに磁歪効果を介した長軸方向(磁性チューブの延在する方向)への異方性を付与して、動作の安定化を図ることもできる。例えば磁化の大きさ800emu/ccの強磁性体で内径50nm、厚さ5nmの磁性チューブを構成した場合、z軸方向が磁化困難軸となり、そのエネルギー差が5×10emu/cc程度かそれ以上となるようにするとよい。 In addition, by using a material with a significantly different coefficient of thermal expansion as the material 118 constituting the magnetic tube and the material used for the support material layers 112 and 114, the stress change to the magnetic tube at the production temperature and room temperature when the magnetic tube is formed can be measured. By utilizing this, anisotropy in the major axis direction (direction in which the magnetic tube extends) can be imparted to the magnetic tube via the magnetostrictive effect, thereby stabilizing the operation. For example, when a magnetic tube having an inner diameter of 50 nm and a thickness of 5 nm is formed of a ferromagnetic material having a magnetization size of 800 emu / cc, the z-axis direction becomes the hard axis of magnetization, and the energy difference is about 5 × 10 6 emu / cc. It is good to make it above.

このように、第1実施形態の磁気メモリは、従来の磁壁メモリに比べて簡単な製造方法によって製造することができ、製造コストを低下させることができる。   Thus, the magnetic memory of the first embodiment can be manufactured by a simple manufacturing method compared to the conventional domain wall memory, and the manufacturing cost can be reduced.

第1実施形態では、図1(a)および図1(b)に示すように、磁性チューブ10は、横断面(図1(a)に示すx―y平面に平行な断面)が円環状で、かつ外形および内径のサイズ(直径)がそれぞれ一定であった。すなわち、外形および内径がそれぞれ一定の円筒形状であった。磁性チューブ10の形状は図1(a)および図1(b)に示す形状に限らない。例えば、図18(a)乃至図18(c)に示す周期的な形状も取りうる。図18(a)に第1例の磁性チューブ10の縦断面図(図1(a)に示すy−z平面に平行な断面)を示す。この第1例の磁性チューブ10は、磁性チューブ10の横断面(図1(a)に示すx―y平面に平行な断面)は第1実施形態と同様に、円環形状でかつ横断面における肉厚も一定であるが、外径および内径のサイズが磁性チューブ10の延在する方向(図1(a)に示すz軸方向)に沿って、周期的に変化する形状となっている(図18(a))。また、図18(b)に第2例の磁性チューブ10の縦断面図を示す。この第2例の磁性チューブ10は、横断面が第1実施形態と同様に円環形状であるが、外径のサイズが一定でかつ内径のサイズが磁性チューブ10の延在する方向に沿って、周期的に変化する形状となっている(図18(b))。また、図18(c)に第3例の磁性チューブ10の縦断面図を示す。この第3例の磁性チューブ10は、横断面が第1実施形態と同様に円環形状であるが、内径のサイズが一定でかつ外径のサイズが磁性チューブ10の延在する方向に沿って周期的に変化する形状となっている(図18(c))。図18(a)乃至図18(c)に示す磁性チューブにおいて、形状の周期は1ビットの収める長さ(記録長)に対応する。図18(a)、18(c)に示す磁性チューブ10おいては、外径が細くなっている箇所に磁壁が形成され易く、図18(b)に示す磁性チューブ10においては、内径が最大の箇所で磁壁が形成されやすい。このため、磁性チューブ1を図18(a)乃至図18(c)のように形成することにより、記録長の長さを精度よく設定することができる。   In the first embodiment, as shown in FIGS. 1A and 1B, the magnetic tube 10 has an annular cross section (a cross section parallel to the xy plane shown in FIG. 1A). In addition, the size (diameter) of the outer shape and inner diameter was constant. That is, the outer shape and the inner diameter were each a constant cylindrical shape. The shape of the magnetic tube 10 is not limited to the shape shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). For example, the periodic shapes shown in FIGS. 18A to 18C may be taken. FIG. 18A shows a longitudinal sectional view of the magnetic tube 10 of the first example (a section parallel to the yz plane shown in FIG. 1A). In the magnetic tube 10 of the first example, the cross section of the magnetic tube 10 (the cross section parallel to the xy plane shown in FIG. 1A) is an annular shape and in the cross section as in the first embodiment. Although the wall thickness is also constant, the shape of the outer diameter and the inner diameter changes periodically along the direction in which the magnetic tube 10 extends (the z-axis direction shown in FIG. 1A) ( FIG. 18 (a)). FIG. 18B shows a longitudinal sectional view of the magnetic tube 10 of the second example. The magnetic tube 10 of the second example has an annular shape as in the first embodiment, but the outer diameter is constant and the inner diameter is along the direction in which the magnetic tube 10 extends. The shape changes periodically (FIG. 18B). FIG. 18C shows a longitudinal sectional view of the magnetic tube 10 of the third example. The magnetic tube 10 of this third example has an annular shape in cross section as in the first embodiment, but the size of the inner diameter is constant and the size of the outer diameter is along the direction in which the magnetic tube 10 extends. The shape changes periodically (FIG. 18C). In the magnetic tube shown in FIGS. 18A to 18C, the period of the shape corresponds to the length (recording length) that can be accommodated by 1 bit. In the magnetic tube 10 shown in FIGS. 18 (a) and 18 (c), a domain wall is easily formed at a location where the outer diameter is narrow, and in the magnetic tube 10 shown in FIG. 18 (b), the inner diameter is maximum. It is easy to form a domain wall at this point. For this reason, by forming the magnetic tube 1 as shown in FIGS. 18A to 18C, the length of the recording length can be set with high accuracy.

以上説明したように、第1実施形態によれば、製造コストを下げることのできる磁気メモリを提供することができる。   As described above, according to the first embodiment, it is possible to provide a magnetic memory capable of reducing the manufacturing cost.

(第2実施形態)
第2実施形態の磁気メモリについて図19(a)乃至図20(b)を参照して説明する。この第2実施形態の磁気メモリは、第1実施形態に示す1個の磁性チューブ10に複数個の参照部18を設けた構成となっている。この第2実施形態の磁気メモリのように、1個の磁性チューブに参照部を複数個設けることで、記録容量の面で磁性チューブを有効利用することができる。
(Second Embodiment)
A magnetic memory according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 19 (a) to 20 (b). The magnetic memory according to the second embodiment has a configuration in which a plurality of reference portions 18 are provided in one magnetic tube 10 shown in the first embodiment. As in the magnetic memory of the second embodiment, by providing a plurality of reference portions on one magnetic tube, the magnetic tube can be effectively used in terms of recording capacity.

図19(a)、19(b)に参照部8を一つ備えた第1実施形態の磁気メモリ1を示す。ここでは、磁性チューブ10が37ビット分の磁区が構成できるような長さを持った、磁気メモリ1を例として挙げている。参照部18に隣接した磁性チューブ10の部分を書き込みと読み出しだけに用いるとすると、この磁性チューブ10には36ビットの情報が収納できることとなる。すでに述べたように磁気メモリ1は読み出しにシフト動作を伴う。したがって、シフトさせたビットを退避させるバッファの役割をする部分が磁性チューブ10に要求される。バッファの長さは読み出す情報を収める分だけ必要である。このことから参照部18を一個備える場合には図19(b)に示すように、参照部18を磁性チューブ10の中間点に置くことが最適である。しかし、最適な場合でも磁性チューブ10の記録媒体としての利用率は高々50%程度となる。   FIGS. 19A and 19B show the magnetic memory 1 according to the first embodiment provided with one reference unit 8. Here, the magnetic memory 1 having a length that allows the magnetic tube 10 to form a magnetic domain for 37 bits is taken as an example. If the portion of the magnetic tube 10 adjacent to the reference portion 18 is used only for writing and reading, the magnetic tube 10 can store 36-bit information. As already described, the magnetic memory 1 involves a shift operation for reading. Therefore, a portion serving as a buffer for saving the shifted bit is required for the magnetic tube 10. The length of the buffer is required to accommodate the information to be read. Therefore, when one reference portion 18 is provided, it is optimal to place the reference portion 18 at the midpoint of the magnetic tube 10 as shown in FIG. However, even in the optimum case, the utilization rate of the magnetic tube 10 as a recording medium is at most about 50%.

一方、第2実施形態の磁気メモリ1は、図20(a)、20(b)に示すように、一つの磁性チューブ10に複数個の参照部18a、18b、18cを設けると記録容量が大きくなる。なお、参照部18a、18b、18cのそれぞれと、磁性チューブ10との間には第1実施形態の場合と同様に、中間層が設けられている。図20(a)、20(b)に示すように、等間隔に3つの参照部18a、18b、18cを配置する。記録できる磁性チューブ10の長さは図19(a)、19(b)の場合と同様に36ビット分であり、各参照部18によって9ビットずつ4等分されている。この場合、書き込みおよび読み出しの操作には最大9ビットのシフトができればよい。したがって、図20(a)、20(b)に示す磁性チューブ10の上方から3つの区分に27ビット分を保存し、参照部18cよりも下の最後の一区分をバッファをとすることができる。この結果、図19(a)、19(b)に示す同じ磁性チューブ10を用いても、3つの参照部18a、18b、18cを備えることで、利用率を75%まで大きくすることができる。参照部18a、18b、18c間の距離を均等にしつつ、その数を増やすと利用率は100%に近づいていく。   On the other hand, the magnetic memory 1 of the second embodiment has a large recording capacity when a plurality of reference portions 18a, 18b, and 18c are provided in one magnetic tube 10, as shown in FIGS. Become. An intermediate layer is provided between each of the reference portions 18a, 18b, and 18c and the magnetic tube 10 as in the case of the first embodiment. As shown in FIGS. 20A and 20B, three reference portions 18a, 18b, and 18c are arranged at equal intervals. The length of the magnetic tube 10 that can be recorded is 36 bits as in FIGS. 19 (a) and 19 (b), and is divided into four equal parts by 9 bits by each reference unit 18. In this case, it is only necessary to perform a maximum 9-bit shift for the write and read operations. Therefore, 27 bits can be stored in three sections from the top of the magnetic tube 10 shown in FIGS. 20A and 20B, and the last section below the reference unit 18c can be used as a buffer. . As a result, even when the same magnetic tube 10 shown in FIGS. 19 (a) and 19 (b) is used, the utilization rate can be increased to 75% by providing the three reference portions 18a, 18b, and 18c. When the number is increased while the distances between the reference portions 18a, 18b, and 18c are made uniform, the utilization rate approaches 100%.

以上説明したように、第2実施形態の磁気メモリは、参照部が複数個である以外は第1実施形態の磁気メモリと同様の構造を有しているので、製造コストを下げることができる。   As described above, the magnetic memory of the second embodiment has the same structure as that of the magnetic memory of the first embodiment except that there are a plurality of reference portions, and thus the manufacturing cost can be reduced.

(第3実施形態)
第3実施形態による磁気メモリについて図21乃至図29を参照して説明する。この第3実施形態の磁気メモリの上面図を図21に示す。この第3実施形態の磁気メモリ1は、延在する方向と直交する方向に一列に配置された複数の磁性チューブ10〜10と、複数の中間層16A〜16Aと、複数の書き込み用参照部18A〜18Aとを備えている。各磁性チューブ10(i=1〜4)の両側に中間層16A2i―1、16A2iが設けられている。中間層A16に対して磁性チューブ10とは反対側に参照部18Aが設けられる。また、中間層16Aと中間層16Aとの間に参照部18Aが設けられ、この参照部18Aは磁性チューブ10、10との間で共用される。中間層16Aと中間層16Aとの間に参照部A18が設けられ、この参照部18Aは磁性チューブ10、10との間で共用される。中間層16Aと中間層16Aとの間に参照部18Aが設けられ、この参照部18Aは磁性チューブ10、10との間で共用される。また、中間層16Aに対して磁性チューブ10とは反対側に参照部18Aが設けられる。すなわち、各磁性チューブの、複数の磁性チューブが配列された方向の両側に中間層を介して参照部が設けられ、隣接する磁性チューブ間に設けられた参照部は上記隣接する磁性チューブに対して共用する構成となっている。
(Third embodiment)
A magnetic memory according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. A top view of the magnetic memory of the third embodiment is shown in FIG. The magnetic memory 1 according to the third embodiment includes a plurality of magnetic tubes 10 1 to 10 4 arranged in a line in a direction orthogonal to the extending direction, a plurality of intermediate layers 16A 1 to 16A 8, and a plurality of writings. and a use reference portion 18A 1 ~18A 5. Intermediate layers 16A 2i-1 and 16A 2i are provided on both sides of each magnetic tube 10 i (i = 1 to 4). The magnetic tube 10 1 relative to the intermediate layer A16 1 reference portion 18A 1 is provided on the opposite side. Also, the reference unit 18A 2 provided between the intermediate layer 16A 2 and the intermediate layer 16A 3, the reference unit 18A 2 is shared between the magnetic tubes 10 1, 10 2. See section A18 3 is provided between the intermediate layer 16A 4 and the intermediate layer 16A 5, the reference unit 18A 3 are shared between the magnetic tubes 10 2, 10 3. A reference portion 18A 4 is provided between the intermediate layer 16A 6 and the intermediate layer 16A 7, and the reference portion 18A 4 is shared between the magnetic tubes 10 3 and 10 4 . Further, the reference portions 18A 5 on the opposite side is provided with the magnetic tube 10 4 with respect to the intermediate layer 16A 8. That is, a reference portion is provided on both sides of each magnetic tube in the direction in which the plurality of magnetic tubes are arranged via an intermediate layer, and the reference portion provided between adjacent magnetic tubes is connected to the adjacent magnetic tubes. It becomes the composition to share.

このような構成の第3実施形態の磁気メモリにおいては、複数の磁性チューブ10〜10に一括して情報を書き込むことが可能になる。参照部と磁性チューブとの間に設けられる中間層の材料としては、第1実施形態で説明したと同様に、トンネル絶縁膜材料、または非磁性金属材料いずれでもよい。しかし、第3実施形態のように、磁性チューブを多くつなぐ場合には抵抗が高くなりすぎることを防ぐために、非磁性金属材料を用いるのが好ましい。ただし、その場合には中間層による寄生伝導を防ぐために、図21に示すように、各磁性チューブ10(i=1〜4)の両側に設けられる中間層16A2I―1、16A2iは不連続で互いに分離されていることが望ましい。 In the magnetic memory according to the third embodiment having such a configuration, information can be written to the plurality of magnetic tubes 10 1 to 10 4 at a time. The material of the intermediate layer provided between the reference portion and the magnetic tube may be either a tunnel insulating film material or a nonmagnetic metal material, as described in the first embodiment. However, it is preferable to use a non-magnetic metal material in order to prevent the resistance from becoming too high when a large number of magnetic tubes are connected as in the third embodiment. However, in this case, in order to prevent parasitic conduction by the intermediate layer, the intermediate layers 16A 2I-1 and 16A 2i provided on both sides of each magnetic tube 10 i (i = 1 to 4) are not provided as shown in FIG. It is desirable that they are continuously separated from each other.

この第3実施形態の磁気メモリの正面図を図22に示し、下面図を図23に示す。この第3実施形態においては、書き込み用参照部18A〜18Aは磁性チューブ10〜10を直列に接続するので、各々の磁性チューブの磁化状態を、磁気抵抗効果を使って電気信号に変換する目的には適さない。そのため、第3実施形態の磁気メモリ1は別途、各磁性チューブ10(i=1〜4)に対して読み出し用参照部18Bを備える。 A front view of the magnetic memory of the third embodiment is shown in FIG. 22, and a bottom view is shown in FIG. In the third embodiment, since the writing reference portions 18A 1 to 18A 5 connect the magnetic tubes 10 1 to 10 4 in series, the magnetization state of each magnetic tube is converted into an electric signal using the magnetoresistance effect. Not suitable for conversion purposes. For this reason, the magnetic memory 1 according to the third embodiment includes a read reference unit 18B i for each magnetic tube 10 i (i = 1 to 4).

この第3実施形態の磁気メモリは、右端の書き込み用参照部18Aと左端の書き込み用参照部18Aとの間に電流を流して磁性チューブ10〜10に情報を書き込む。図24に示すように、すべての書き込み用参照部18A〜18Aの磁化を図24において上方に向けた状態で書き込み電流を右端の書き込み用参照部18Aから左端の書き込み用参照部18Aに電流を流す。すると、図25に示すように、各参照部18A(i=1〜5)近傍の磁性チューブ10の部分(斜線部分)の磁化が反時計回りに磁化し、すべての磁性チューブ10〜10に情報“1”が書き込まれる。このとき、各磁性チューブ10(i=1〜4)の右側の部分の磁化には参照部18Aと反平行となるように促すスピントルクが、左側の部分の磁化には平行になるように促すスピントルクが働く。よって、磁性チューブの片側にだけ参照部を設けて電流を流す場合に比べて低い電流値で効率よく磁化を反転させることができる。 The magnetic memory of the third embodiment, write information to the magnetic tube 10 1 to 10 4 by applying a current between the right end of the reference portion 18A 1 and the left end of the reference portion 18A 5 for writing for writing. Figure as indicated at 24, all of the write reference portion 18A 1 ~18A magnetizing a reference for writing a write current in a state in which upward from the right end of the reference portion 18A 1 for writing the left edge of the 24 portions of 5 18A 5 Current is passed through. Then, as shown in FIG. 25, the magnetization of the portion (shaded portion) of the magnetic tube 10 i in the vicinity of each reference portion 18A i (i = 1 to 5) is magnetized counterclockwise, and all the magnetic tubes 10 1 to 10 1 10 4 information "1" is written. At this time, the spin torque that prompts the magnetization of the right portion of each magnetic tube 10 i (i = 1 to 4) to be anti-parallel to the reference portion 18A i is parallel to the magnetization of the left portion. The spin torque that urges you to work. Therefore, it is possible to efficiently reverse the magnetization with a lower current value as compared with the case where the reference portion is provided only on one side of the magnetic tube and the current flows.

また、第3実施形態においては、磁性チューブ10〜10を参照部18A〜18Aにより直列に接続しているため、各々の磁性チューブに一つずつ情報を書き込むのに比べて1/4の電流量で情報“1”を記録できる。また、隣接する磁性チューブ間に設けられた参照部18A〜18Aのそれぞれは、図32に示すように、非磁性金属層17よって二つに分離されてもよい。この場合、書き込み動作の際に参照部に生じるスピントルクの隣接する磁性チューブへの作用を低減することができる。 Further, in the third embodiment, the magnetic tubes 10 1 to 10 4 are connected in series by the reference portions 18A 1 to 18A 5, so that 1/1 compared to writing information one by one in each magnetic tube. Information “1” can be recorded with a current amount of four. Further, each of the reference portions 18A 2 to 18A 4 provided between the adjacent magnetic tubes may be separated into two by the nonmagnetic metal layer 17, as shown in FIG. In this case, the action of the spin torque generated in the reference portion during the writing operation on the adjacent magnetic tube can be reduced.

一方、第3実施形態では、一括してすべての磁性チューブに同じ情報を書き込むため、書き込み動作を完了するために、シフト動作に工夫が必要となる。第3実施形態の磁気メモリ1の書き込み動作の一例を図26乃至図129を参照して説明する。まず図24、25に示すように、すべての磁性チューブ10〜10に情報“1”を書き込む。 On the other hand, in the third embodiment, since the same information is written to all the magnetic tubes at once, a device is required for the shift operation in order to complete the write operation. An example of the write operation of the magnetic memory 1 according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 26 to 129. First, as shown in FIGS. 24 and 25, information “1” is written in all the magnetic tubes 10 1 to 10 4 .

その後、その情報“1”を書き込むべき磁性チューブに残すために負のシフト電流(−Is)を書き込むべき磁性チューブ10〜10に流して磁壁を1ビット分だけシフトさせる。これにより、磁性チューブ10〜10に情報“1”が書き込まれる。このとき本来の情報“1”を書き込む必要のない磁性チューブ10にはシフト電流を流さない。 Then, shifting by one bit the domain wall by passing the magnetic tube 10 2 to 10 4 to write the negative shift current (-Is) to leave the magnetic tube to be written the information "1". As a result, information “1” is written in the magnetic tubes 10 2 to 10 4 . In this case it does not flow shift current to the magnetic tube 10 1 with no need to write the original information "1".

続いて、負の書き込み電流(−Iw)を左端の書き込み用参照部18Aと右端の書き込み用参照部18Aとの間に流し、情報“0”を書き込み、保存したい磁性チューブにのみシフト電流を流す(図27)。図27に示した場合は、磁性チューブ10〜10にシフト電流を流している。この結果、この時点で磁性チューブ10、10、10、10に記録されている情報はそれぞれ、“0”、“10”、“10”、“1”となる。 Subsequently, it flowed negative write current (-Iw) between the left end of the reference portion 18A 1 and the right end of the reference portion 18A 5 for writing for writing, write data "0", the shift only the magnetic tube to be saved current (Fig. 27). In the case shown in FIG. 27, a shift current is passed through the magnetic tubes 10 1 to 10 3 . As a result, the information recorded in the magnetic tubes 10 1 , 10 2 , 10 3 , and 10 4 at this time becomes “0”, “10”, “10”, and “1”, respectively.

続いて、再び書き込み電流Iwを流し、さらシフト電流を磁性チューブ10、10、10に流した結果得られる状況が図28に示されている。この動作により磁性チューブ10、10、10、10にはそれぞれ、“01”、“10”、“101”、“11”の情報が格納される。 Next, FIG. 28 shows a situation obtained as a result of flowing the write current Iw again and further passing the shift current to the magnetic tubes 10 1 , 10 3 , 10 4 . By this operation, information of “01”, “10”, “101”, “11” is stored in the magnetic tubes 10 1 , 10 2 , 10 3 , 10 4 , respectively.

さらに図29に示すように、書き込み電流−Iwを印加し、シフト電流によって磁性チューブ10、10、10のビットをシフトさせると、磁性チューブ10、10、10、10にはそれぞれ、“010”、“100”、“101”、“110”の3ビットずつの情報を入力されたことになる。このように、複数の磁性チューブ10〜10を書き込み用参照部18A〜18Aによって直列に接続することにより一括書き込み動作を可能にすると、書き込み電流の有効利用ができるだけでなく、書き込み動作による誤ったシフト動作を防ぐことも可能になる。 Furthermore, as shown in FIG. 29, when the write current −Iw is applied and the bits of the magnetic tubes 10 1 , 10 2 , and 10 4 are shifted by the shift current, the magnetic tubes 10 1 , 10 2 , 10 3 , and 10 4 are changed. Respectively, information of 3 bits of “010”, “100”, “101”, and “110” is input. As described above, when the plurality of magnetic tubes 10 1 to 10 4 are connected in series by the write reference units 18A 1 to 18A 5 to enable the collective write operation, not only the write current can be effectively used but also the write operation. It is also possible to prevent an erroneous shift operation due to.

第3実施形態の磁気メモリにおける複数の磁性チューブへの一括書込み動作は、例えば図30に示す回路群、すなわち、磁壁移動用電源30、入力制御器32A、出力制御器32B、磁気情報検出器34、入力用電源36A、出力用電源36B、磁性チューブ選択制御器38を磁気メモリ1に接続することで実施可能となる。磁壁移動用電源30および入力用電源36Aはバイポーラ出力となっており、必要に応じて正の向きの電流と負の向きの電流を選択して流すことができる。図30では、磁気メモリ1の右端の書込み用参照部18Aに入力用電源36Aが接続されており、左端の書込み用参照部18Aにトランジスタ35Aを介して接地ラインに接続されている。このトランジスタ35Aのゲート端子に接続された入力制御器32Aからの電圧信号VICにより、トランジスタ35Aのチャネルは導通状態となり、参照部18A5へ入力用電源36Aから電流を流すことが可能となる。 The collective writing operation to the plurality of magnetic tubes in the magnetic memory of the third embodiment is performed by, for example, the circuit group shown in FIG. 30, that is, the domain wall motion power supply 30, the input controller 32A, the output controller 32B, and the magnetic information detector 34. This can be implemented by connecting the input power source 36A, the output power source 36B, and the magnetic tube selection controller 38 to the magnetic memory 1. The domain wall motion power source 30 and the input power source 36A are bipolar outputs, and a positive direction current and a negative direction current can be selected and passed as required. In Figure 30, the input power supply 36A to the reference unit 18A 5 for the right end of the writing of the magnetic memory 1 is connected, it is connected to the ground line to the left end of the reference portion 18A 1 for writing via the transistor 35A. The channel of the transistor 35A is turned on by the voltage signal V IC from the input controller 32A connected to the gate terminal of the transistor 35A, and current can be supplied from the input power supply 36A to the reference unit 18A5.

また、読み出し用参照部18B〜18Bは、それぞれ磁気情報検出器34に接続されるとともに、トランジスタ35Bを介して出力用電源36Bに接続される。トランジスタ35Bのゲート端子に接続された出力制御器32Bからの電圧信号VOCにより、トランジスタ35Bが導通し、読み出し電流Iが流れることにより、磁気情報検出器34によって検出された磁気情報Vが読み出される。 The read reference units 18B 1 to 18B 4 are each connected to the magnetic information detector 34 and also connected to the output power supply 36B via the transistor 35B. The voltage signal V OC from the output controller 32B connected to the gate terminal of the transistor 35B, the transistor 35B is turned on, by flowing the read current I R is, magnetic information V R is detected by the magnetic information detector 34 Read out.

また、各磁性チューブ10(i=1〜4)と接地ラインとの間にもトランジスタ37が設けられている。それぞれのトランジスタ37(i=1〜4)のゲート端子に磁性チューブ選択制御器38からの電圧信号Vtubeiが印加されない限り、磁性チューブ10に電流が流れることはない。 A transistor 37 i is also provided between each magnetic tube 10 i (i = 1 to 4) and the ground line. As long as the voltage signal V tubei from the magnetic tube selection controller 38 is not applied to the gate terminal of each transistor 37 i (i = 1 to 4), no current flows through the magnetic tube 10 i .

このような構成では、上述した一括書込み動作は、例えば図31(a)乃至31(i)に示す時系列信号を磁性チューブ10〜10とトランジスタ35A、37〜37に与えることで実現される。書き込み電流Iは、入力制御器32Aの電圧信号VICが印加されている間に流される。 In such a configuration, once the write operation described above, by providing in FIG. 31 (a) to 31 magnetic tube 10 a time-series signal shown in (i) 1 ~10 4 and transistor 35A, 37 1 to 37 4 for example Realized. The write current Iw is supplied while the voltage signal V IC of the input controller 32A is being applied.

磁気情報を読み出すべき磁性チューブ、例えば磁性チューブ10を磁性チューブ選択制御器38によって選択する。この選択は、磁性チューブ選択制御器38からの電圧信号Vtube1をトランジスタ37に印加することによって行う。その後、出力制御器32Bからの電圧信号VOCをトランジスタ35Bのゲート端子に印加し、出力用電源36Bから参照部18Bを経て磁性チューブ10へ読み出し電流Iを流す。その時の電圧降下Vを磁気情報検出器34により検知して、磁気情報へ変換する。この際、流す読み出し電流Iは書き込み電流Iよりも小さい必要があり、例えば、読み出し電流Iは書き込み電流Iの1/10である。 Magnetic tube should read magnetic information, for example, a magnetic tube 10 1 is selected by the magnetic tube selection controller 38. This selection is performed by applying a voltage signal Vtube1 from magnetic tube selection controller 38 to the transistor 37 1. Thereafter, by applying a voltage signal V OC from the output controller 32B to the gate terminal of the transistor 35B, flow the read current I R to the magnetic tube 10 1 through the reference part 18B 1 from the output power supply 36B. The voltage drop V R at that time is detected by the magnetic information detector 34 converts the magnetic information. At this time, the read current I R must smaller than the write current I W to flow, for example, the read current I R is 1/10 of the write current I W.

以上説明したように、第3実施形態の磁気メモリは、磁性チューブおよび参照部が複数個である以外は第1実施形態の磁気メモリと同様の構造を有しているので、製造コストを下げることができる。   As described above, the magnetic memory of the third embodiment has the same structure as that of the magnetic memory of the first embodiment except that there are a plurality of magnetic tubes and reference parts, so that the manufacturing cost is reduced. Can do.

(第4実施形態)
磁性チューブおよび参照部の磁化の方向をz軸方向としてもよい。この場合、初期化はz軸方向への外部磁化の印加によって行うことができ、他の動作については前記の実施例で述べたものと同様の手順で行うことができる。
(Fourth embodiment)
The direction of magnetization of the magnetic tube and the reference portion may be the z-axis direction. In this case, initialization can be performed by applying external magnetization in the z-axis direction, and other operations can be performed in the same procedure as described in the above embodiment.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and equivalents thereof as well as included in the scope and gist of the invention.

1 磁気メモリ
10 磁性チューブ
10〜10 磁性チューブ
16 中間層
16A〜16A 中間層
18 参照部
18A〜18A 書き込み用参照部
18B〜18B 読み出し用参照部
1 magnetic memory 10 the magnetic tube 10 1 to 10 4 magnetic tube 16 intermediate layer 16A 1 ~16A 8 intermediate layer 18 reference portion 18A 1 ~18A 5 reference section for writing 18B 1 ~18B 4 read reference unit

Claims (15)

第1方向に延在し前記第1方向に直交する平面における断面が円環状である磁性体構造と、
前記磁性体構造の前記第1方向に沿った外表面に設けられた非磁性層と、
前記磁性体構造とは反対側の前記非磁性層の面の一部に設けられた磁性体を含む参照部と、
前記磁性体構造に前記第1方向に沿って第1電流を双方向に流すことの可能な第1回路と、
前記磁性体構造と前記参照部との間に前記非磁性層を介して第2電流を双方向に流すことの可能な第2回路と、
前記磁性体構造と前記参照部との間に前記非磁性層を介して、前記第2電流の絶対値よりも小さな第3電流を流す第3回路と、
前記第3電流を流したときに、前記非磁性層を介して前記磁性体構造と前記参照部との間に生じる電圧を検出する第4回路と、
を備えている磁気メモリ。
A magnetic structure extending in a first direction and having a circular cross section in a plane perpendicular to the first direction;
A nonmagnetic layer provided on an outer surface along the first direction of the magnetic structure;
A reference portion including a magnetic body provided on a part of the surface of the nonmagnetic layer opposite to the magnetic body structure;
A first circuit capable of flowing a first current bidirectionally along the first direction in the magnetic structure;
A second circuit capable of causing a second current to flow bidirectionally through the nonmagnetic layer between the magnetic structure and the reference portion;
A third circuit for passing a third current smaller than an absolute value of the second current through the nonmagnetic layer between the magnetic structure and the reference portion;
A fourth circuit for detecting a voltage generated between the magnetic body structure and the reference portion via the nonmagnetic layer when the third current is passed;
With magnetic memory.
前記第2電流を流すことにより、前記磁性体構造の、前記非磁性層を介して前記参照部に接している領域に情報を格納した後に、前記第1電流を流すことにより、書き込み動作を行請求項記載の磁気メモリ。 By passing the second current, after storing information in a region of the magnetic structure that is in contact with the reference portion via the nonmagnetic layer, the write operation is performed by passing the first current. The magnetic memory according to claim 1 . 前記磁性体構造の、前記非磁性層を介して前記参照部に接している領域に格納されている情報の読み出しを、前記第3電流を流すことにより前記第4回路によって検出される電圧に基づいて行請求項記載の磁気メモリ。 Based on the voltage detected by the fourth circuit by flowing the third current, the information stored in the region of the magnetic material structure in contact with the reference portion through the nonmagnetic layer is read. the magnetic memory according to claim 1, wherein intends row Te. 前記参照部が前記非磁性層を介して前記磁性体構造の外表面に接する領域に関する、前記第1方向に直交する平面における前記磁性体構造の断面の中心から見た見込み角は、180度未満であ請求項1乃至のいずれかに記載の磁気メモリ。 Regarding the region where the reference portion is in contact with the outer surface of the magnetic structure via the nonmagnetic layer, the angle of view as viewed from the center of the cross section of the magnetic structure in a plane orthogonal to the first direction is less than 180 degrees the magnetic memory according to any one of der Ru claims 1 to 3. 前記参照部は、前記磁性体構造の前記第1方向に沿って複数個設けられてい請求項1乃至のいずれかに記載の磁気メモリ。 Wherein the reference portion is a magnetic memory according to any one of claims 1 to 4 in the first direction of the magnetic structure that provided a plurality. 前記参照部の前記磁性体の前記第1方向における厚さは、10nm以上50nm以下であ請求項1乃至のいずれかに記載の磁気メモリ。 The thickness in the first direction, the magnetic memory according to any one of claims 1 to 5 Ru der than 50nm or less 10nm of the magnetic of the reference portion. 前記磁性体構造は、前記断面における肉厚が一定であり、外径および内径のサイズが前記第1方向に沿って、周期的に変化する形状を有してい請求項1乃至のいずれかに記載の磁気メモリ。 Said magnetic structure, said a wall thickness in the cross-section is constant, the size of the outer diameter and inner diameter is in the first direction, any one of claims 1 to 6 that have a periodically changing shape The magnetic memory described in 1. 前記磁性体構造は、外径のサイズが一定でかつ内径のサイズが前記第1方向に沿って周期的に変化する形状を有してい請求項1乃至のいずれかに記載の磁気メモリ。 The magnetic structure, the magnetic memory according to any one of claims 1 to 6 size outer diameter that has a shape in which the size of the constant and the inner diameter varies periodically along the first direction. 前記磁性体構造は、内径のサイズが一定でかつ外径のサイズが前記第1方向に沿って周期的に変化する形状を有してい請求項1乃至のいずれかに記載の磁気メモリ。 The magnetic structure, the magnetic memory according to any one size and OD of inner diameter at constant of claims 1 to 6 that have a shape that periodically changes along the first direction. それぞれが第1方向に延在し前記第1方向に直交する平面における断面が円環状である複数の磁性体構造であって、前記第1方向に直交する第2方向に一列に配列された複数の磁性体構造と、
前記複数の磁性体構造のそれぞれに対応して、各磁性体構造の前記第2方向における両側に設けられた複数の第1参照部であって、各第1参照部が磁性体を有する複数の第1参照部と、
前記複数の磁性体構造のそれぞれと、対応する第1参照部との間に設けられた複数の第1非磁性層と、
前記複数の磁性体構造のそれぞれに対応して、各磁性体構造の前記第1方向に沿った外表面に設けられた複数の第2非磁性層と、
前記複数の磁性体構造のそれぞれに対応して設けられ、それぞれが磁性体を有する複数の第2参照部であって、各第2参照部は、対応する磁性体構造とは反対側の前記第2非磁性層の面の一部に設けられる、複数の第2参照部と、
を備え、
前記複数の磁性体構造は、前記複数の第1参照部および複数の第1非磁性層を介して電気的に接続されてい磁気メモリ。
A plurality of magnetic body structures each extending in a first direction and having a circular cross section in a plane orthogonal to the first direction, and arranged in a row in a second direction orthogonal to the first direction Magnetic structure of
Corresponding to each of the plurality of magnetic body structures, there are a plurality of first reference portions provided on both sides in the second direction of each magnetic body structure, and each of the first reference portions includes a plurality of magnetic bodies. A first reference part;
A plurality of first nonmagnetic layers provided between each of the plurality of magnetic body structures and a corresponding first reference portion;
A plurality of second nonmagnetic layers provided on an outer surface along the first direction of each magnetic structure corresponding to each of the plurality of magnetic structures;
A plurality of second reference portions provided corresponding to each of the plurality of magnetic body structures, each having a magnetic body, wherein each of the second reference portions is opposite to the corresponding magnetic body structure. A plurality of second reference portions provided on a part of the surface of the non-magnetic layer;
With
Wherein the plurality of magnetic structures, said plurality of first reference portion and a plurality of first magnetic memory that is electrically connected via a non-magnetic layer.
隣接する磁性体構造にそれぞれ対応して設けられ、前記隣接する磁性体構造の対向する側に配置された2つの第1参照部は一体であ請求項10記載の磁気メモリ。 Adjacent each provided corresponding to the magnetic structure, the adjacent magnetic memories opposing two first reference section which is disposed on a side of the integral der Ru claim 10, wherein the magnetic structure. 隣接する磁性体構造にそれぞれ対応して設けられ、前記隣接する磁性体構造の対向する側に配置された2つの第1参照部は非磁性金属層を介して接続されてい請求項10記載の磁気メモリ。 It provided corresponding to adjacent magnetic structure, of the first reference portion opposed two disposed on the side of the adjacent magnetic structure according to claim 10, wherein it is connected via a non-magnetic metal layer Magnetic memory. 前記複数の磁性体構造のそれぞれを選択して、選択した磁性体構造に前記第1方向に沿って第1電流を双方向に流すことの可能な第1回路と、
前記複数の第1参照部および複数の第1非磁性層を介して電気的に接続されている前記複数の磁性体構造に第2電流を双方向に流すことの可能な第2回路と、
前記複数の磁性体構造のうちの一つの磁性体構造を選択して、選択した磁性体構造に前記第2電流の絶対値よりも小さな第3電流を流す第3回路と、
前記第3電流を流したときに、選択された前記磁性体構造と前記第2参照部との間に前記第2非磁性層を介して生じる電圧を検出する第4回路と、
をさらに備えてい請求項10乃至12のいずれかに記載の磁気メモリ。
A first circuit capable of selecting each of the plurality of magnetic body structures and allowing a first current to flow bidirectionally along the first direction through the selected magnetic body structures;
A second circuit capable of causing a second current to flow in both directions through the plurality of magnetic structures electrically connected via the plurality of first reference portions and the plurality of first nonmagnetic layers;
A third circuit that selects one of the plurality of magnetic structures and causes a third current smaller than the absolute value of the second current to flow through the selected magnetic structure;
A fourth circuit for detecting a voltage generated via the second nonmagnetic layer between the selected magnetic body structure and the second reference portion when the third current is passed;
The magnetic memory according to any one of claims 10 to 12 that further comprise a.
前記第2電流を流すことにより、前記複数の磁性体構造の、前記第2非磁性層を介して前記第2参照部に接している領域に情報を格納した後に、選択された磁性体構造に前記第1電流を流すことにより、書き込み動作を行請求項13記載の磁気メモリ。 By passing the second current, information is stored in a region of the plurality of magnetic structures that are in contact with the second reference portion via the second nonmagnetic layer, and then the selected magnetic structure is formed. wherein by supplying a first current, a magnetic memory according to claim 13, wherein intends row write operation. 選択された前記磁性体構造の、前記第2非磁性層を介して前記第2参照部に接している領域に格納されている情報の読み出しを、前記第3電流を流すことにより前記第4回路によって検出される電圧に基づいて行請求項13記載の磁気メモリ。 Reading the information stored in the region in contact with the second reference portion via the second nonmagnetic layer of the selected magnetic structure, by passing the third current, the fourth circuit the magnetic memory according to claim 13, wherein intends rows based on the voltage detected by.
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